Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование перспективных форм автоматизации проектирования верха обуви с использованием современного информационного оборудования 12
1.1.Обзор основных методик проектирования верха обуви 12
1.1.1. Копировально-графическая методика моделирования обуви .12
1.1.2. Методика ЦНИИКП 13
1.1.3. Методика итальянской школы АРС Сутория .14
1.1.4.Метод проектирования МТИЛП 15
1.2. Применение информационных технологий в целях автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства обуви 16
1.2.1.Автоматизация процессов проектирования обуви в среде 2D 18
1.2.2. САПР обуви, поддерживающие формат 3D, их возможности и
алгоритм функционирования 21
1.3.Технологии обратного инжиниринга в сфере трехмерного проектирования .26
1.3.1. Бесконтактное трехмерное лазерное сканирование для информационного обеспечения CAD/CAM систем 28
1.3.2. Анализ современного программного обеспечения для работы с 3D объектами .32
1.3.3. Технология быстрого прототипирования 34
1.4. Анализ потенциала обратного инжиниринга, быстрого прототипирования и 3D-моделирования для построения современной 3D САПР обуви 39
Выводы по первой главе 42
Глава 2. Разработка методов подготовки исходных данных для проектирования и изготовления моделей обуви разных конструкций в программах трехмерного моделирования .44
2.1. Разработка метода получения базовой геометрической информации о поверхности колодки .44
2.1.1.Конвертирование данных лазерного сканирования в трехмерную поверхность 47 2.1.2. Математическое описание поверхности колодки для трехмерного проектирования обув 52
2.1.3.Сравнительный анализ методик построения развертки боковой поверхности колодки .56
2.2. Разработка способа получения развертки боковой поверхности колодки с использованием трехмерного моделирования деформации материалов .60
2.2.1. Трехмерное моделирование процесса распластывания простой геометрической фигуры 68
2.2.2. Построение развертки поверхности колодки с учетом физико-механических свойств пакета материалов обуви 74
2.2.3. Основные погрешности метода распластывания боковой поверхности колодки в 3D .87
2.3. Нанесение базисных и вспомогательных линий 90
2.4. Концепция единого информационного пространства для проектирования верха обуви, деталей низа и оснастки 95
Выводы по второй главе .98
ГЛАВА 3. Алгоритм проектирования обуви в формате 3d на базе лазерного сканирования колодки 100
3.1.Разработка методики эскизной проработки обуви и формы колодки в формате 3D 3.1.1.Разработка способа модификации поверхности колодки средствами 3D моделирования 3.1.2. Текстурирование и визуализация в программах трехмерного моделирования 104
3.2. Разработка методики автоматизированного проектирование деталей верха в 3D .110 3.2.1 Программа «КО-3D», основная составляющая САПРО - 3D...111
3.2.2. Интерфейс программы «КО-3D» 112
3.2.3. Проектирование плоской заготовки верха 116
3.2.4. Проектирование с элементами методики МТИЛП 126
3.2.5. Проектирование объемной заготовки верха .130 3.3.Серийное градирование колодок и деталей обуви .134
Выводы по третьей главе .138
ГЛАВА 4. Экономическая эффективность применения трехмерного проектирования на производстве .139
4.1.Методы определения экономического эффекта от внедрения САПР 139
4.1.1. Качественные и вероятностные методы .140
4.1.2. Финансовые методы 142
4.1.3. Социально – экономическая эффективность 144
4.2. Сравнительный анализ проектирования обуви в САПРО-3D с традиционными алгоритмами 2D систем 145
4.3.Расчет показателей экономической эффективности САПРО-3D 151
4.4.План внедрения САПРО-3D в обувное производство 158
Выводы по четвертой
Главе 163 выводы по работе .164
Список библиографических источников
- Применение информационных технологий в целях автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства обуви
- Математическое описание поверхности колодки для трехмерного проектирования обув
- Текстурирование и визуализация в программах трехмерного моделирования
- Сравнительный анализ проектирования обуви в САПРО-3D с традиционными алгоритмами 2D систем
Применение информационных технологий в целях автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства обуви
Одной из ключевых задач диссертации является повышение качества обуви за счет интеграции в процесс проектирования универсальной автоматизированной системы проектирования обуви (САПРО) с использованием современных информационных технологий, таких как лазерное сканирование, быстрое прототипирование и трехмерная компьютерная графика. Для создания универсальной САПРО с использованием современного программного обеспечения и прогрессивных технологий необходимо провести комплексное исследование существующих систем проектирования обуви. Проектирование на сегодняшний день осуществляют как графо - аналитическим способом, так и с использованием специальных компьютерных программ. Выделяют следующие методики проектирования: копировально-графическая, методика ОДМО и МТИЛП (жесткой оболочки), Тонковида, Апанасенко, Максиной, а так же моделирование по итальянской школе АРС Сутория [24-30]. Рассмотрим более подробно методики, получившие наибольшее практическое распространение, выделив преимущества и недостатки их использования.
В 1876 году первую графическую систему моедлиования верха обуви разрабатывает венский мастер - обувщик Р. Кнеффель [31]. За основу он принимает размерные данные, получаемые при обмерах стопы или колодки.
Эти данные наносят на чертеж в виде вспомогательных линий с помощью коэффициентов и угловых значений, соблюдая определенные правила.
Моделирование осуществляется на плоскости, при этом элементы заготовки разрабатываются с припусками для их соединения. Методика Кнеффеля имеет ряд недостатков: используется только при индивидуальном производстве (на начальных этапах развития системы), не учитывает сложную геометрию формы колодки, деформации при формовании, а так же удлинение и перемещение стопы во внутриобувном пространстве. В начале девятнадцатого века появляется система А. Келлера, претендующая на устранение недостатков методики предложенной Кнеффелем. Главным отличием предложенной методики является то, что за основу при разработке чертежа принимаются приближенные РБПК и следа, названные соответственно копиями и стельками. Создаваемая модель верха более полно отображала форму колодки, а предложенная методика моделирования получила названия копировальной. В дальнейшем, оба подхода к моделированию были объединены в копировально-графическую методику моделирования. Точного переноса основных антропометрических данных от стопы к колодке, а от колодки к моделируемому верху обуви, в период появления копировально-графической системы не было, поэтому на смену данной методики пришли системы проектирования обуви, включающие математические расчеты. Однако, заложенный принцип построения деталей обуви на базе УРК актуален и может быть реализован в современной конструкторской практике.
Методика ЦНИИКП Ввиду несовершенства копировально-графической системы в 1936 году в ЦНИИКП группа ученых (Ю.П.Зыбин, Б.П.Хохлов, Пешиков Ф.В. и Х.Х.Лиокумович) разработала новую систему моделирования верха обуви, основанную на обобщенных данных массового обмера стоп [32]. Установлено, что между длиннотными и широтными размерами стопы существует определенная зависимость. В работах Ю.П.Зыбина учтены положения отдельных анатомических точек на стопе, определены коэффициенты для расчета их на УРК. Отражена целесообразность расчета расположения точек на развертке и разработана сетка базисных линий. Эта система в отличие от всех предыдущих предусматривает создание проекта на основе научного расчета и применяется для построения обуви всевозможных конструкций. Система нанесения базисных линий, соответствующих анатомическим точкам стопы, несет в себе потенциал для дальнейшей автоматизации данного процесса, что важно при разработке систем проектирования обуви с использованием компьютерных технологий. К минусам данной методики можно отнести проработку основных конструктивных линий на плоскости, что затрудняет визуальное представление будущей модели до изготовления опытного образца. Так же следует отметить, что моделирование ведется без учета физико-механических особенностей материала.
Методика итальянской школы АРС Сутория В конце 60-х годов 19 столетия в международном институте обувной техники и искусств (г. Милан) Адриано Лунати была разработана методика моделирования обуви непосредственно на поверхности колодки с последующим переносом линий на плоскость [33]. Ключевой особенностью данной методики является нанесение вспомогательных линий и контуров деталей верха на колодку, обклеенную предварительно липкой лентой, что позволяет увидеть прообраз будущей модели до изготовления опытного образца. Эта особенность является преимуществом итальянской методики перед копировально-графической, следовательно, при реализации современных методик проектирования возможность нанесения рисунка на колодку является желательным элементом эскизной проработки новой модели. Однако при нанесении контуров деталей верха на колодку, учитывают относительно малое количество анатомических особенностей стопы, по сравнению с методикой проектирования предложенной ЦНИИКП.
А именно, не указывают центр внутренней лодыжки, конца мизинца и точку сгиба стопы. Для проектирования эргономичной обуви информация об анатомических особенностях стопы должна быть представлена в максимально полном объеме. Так же следует отметить, что метод разработан для проектирования отдельных видов обуви, таких как полуботинки и ботинки с настрочной союзкой и настрочными берцами, туфель "лодочек" с ремешками и без ремешков, мокасин и сапожек. Все остальные виды обуви рассматриваются как разновидности вышеперечисленных конструкции. Такой подход затрудняет автоматизацию данной системы в рамках массового производства, делает её менее гибкой и универсальной.
Математическое описание поверхности колодки для трехмерного проектирования обув
Возможность корректировки колодки и деталей верха присутствует на всех стадиях проектирования модели. Эти плюсы позволяют сделать вывод о перспективности внедрения трехмерного проектирования на производстве.
Однако стоит отметить, что на практике слияния в единый программно-технический комплекс так и не произошло. Наиболее современная на данный момент 3D САПР обуви Crispin от компании Delcam, предоставляет полный комплект программного обеспечения от проектирования колодок и пресс-форм подошв до конструкторской проработки деталей верха, с последующим автоматизированным раскроем. Этот комплект программного обеспечения состоит из 9 независимых модулей – по сути отдельных программных продуктов. Проектирование колодок и пресс-форм по-прежнему наиболее полно представлено в специализированных программных продуктах.
Лидерами на мировом рынке по разработке систем автоматизированного проектирования колодок являются системы Easylast 3D, NewLast [68, 69]. Перечисленные программные комплексы позволяют градировать колодки, модифицировать исходную поверхность и передавать данные на станки с ЧПУ для изготовления опытного образца (рис.4).
Помимо колодки, к основной обувной оснастке относятся пресс-формы для изготовления подошв, стелек. Для проектирования пресс-форм разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать конструкторско-технологические работы в данном направлении. Наиболее распространенными являются следующие CAD/CAM системы Cimatron (Израиль) [70], Romans CAD Software (Франция) [71].
Трехмерная компьютерная модель колодки В МГУДТ на кафедре ХМКиТИК проведена большая методологическая и теоретическая работа, по автоматизации изготовления пресс-форм, данной тематики посвящены работы Киселева С.Ю., Семёнова А.А., Карагезяна Ю.А. [14, 57, 72 ].Так же известен ряд научных работ, посвященных формированию рациональной внутренней формы обуви на базе трехмерного сканирования стопы [40,73]. Так Буй В.Х. под руководством Фукнина В.А. была предложена система трехмерного проектирования колодки «Last-design» [11], предлагающая при разработке оснастки использовать 3D антропометрию стопы и позволяющая корректировать поверхность колодки. Оцифрованная поверхность колодки дает возможность перейти к конструированию в 3D программах. Логическим продолжением исследований в тематике трехмерного моделирования оснастки станет система проектирования верха обуви.
В настоящий момент отсутствуют научные работы, посвященные разработке трехмерной системы проектирования верха обуви на базе 3D модели колодки. Для восполнения данного пробела, автор предлагает разработать универсальную систему трехмерного проектирования верха обуви, опираясь на цифровую модель колодки, и структурно-логическую схему западных САПР 3D. Для достижения приемлемого результата предлагается использовать наиболее современное на данный момент информационное оборудование: трехмерные лазерные сканеры, прототипирующие устройства, программное обеспечение, поддерживающее трехмерную графику. А так же использовать проектировочные алгоритмы, применяемые в машиностроении для работы с трехмерными объектами, такие как обратный, или реверс-инжиниринг.
Технологии обратного инжиниринга в сфере трехмерного проектирования Обратная разработка (обратный инжиниринг, реверс-инжиниринг; англ. reverse engineering) — исследование некоторого устройства или программы, а также документации на него с целью понять принцип его работы; например, чтобы обнаружить скрытые функции, сделать изменение, или воспроизвести устройство, программу или иной объект с аналогичными функциями, но без копирования как такового [74]. Данная концепция используется в трехмерном проектировании следующим образом.
Выбирается некоторый прототип, узел или деталь, которую хотят модифицировать, данный объект сканируется бесконтактным способом для получения информации об исходной геометрии. Затем, используя специальное программное обеспечение, объект модифицируется в трехмерном пространстве. Следующий шаг – изготовление прототипа с помощью ЧПУ или прототипирующих устройств. Принцип обратного инжиниринга схематично отражен на рисунке 5.
По мнению автора, данный принцип весьма схож с процессом проектирования обуви. Так в роли исходного объекта выступает стопа, геометрическая информация о которой попадает к проектировщику, благодаря серии обмеров, с использованием контактных и бесконтактных методов. Наиболее перспективными на сегодняшний день выглядят бесконтактные лазерные устройства для обмера стоп, позволяющие получить информацию в цифровой форме о всей поверхности стопы.
Текстурирование и визуализация в программах трехмерного моделирования
При сравнении, очевидно, что первые два пункта выполняются. Пункт третий зависит от физико-механических свойств выбранного материала, соответственно длины отрезков на объемной поверхности могут и не соответствовать разверткам. Для установления точности пункта четыре, проведем дополнительный эксперимент. На боковую поверхность колодки и её развертки нанесем три точки: С – точку кальцаты, Пн - точку наружного пучка и Впб - точку высоты полуботинка. Построим через три точки угол и сравним значения до и после распластывания. Проведя соответствующие измерения, приходим к выводу, что углы не равны (рис. 34).
Боковая поверхность колодки с лежащими на ней линиями: а – на объемной боковой поверхности; б – на её развертке; Для неразвертывающихся поверхностей фигура, полученная после распластывания, не будет обладать всеми перечисленными свойствами разверток. Полученная в результате распластывания поверхность обладает двумя из четырех перечисленных свойств. В таком случае развертку называют условной разверткой поверхности (приближенной). Алгоритм получения боковой поверхности колодки был автоматизирован при помощи языка программирования «MEL», и вынесен в отдельную пиктограмму в верхней части интерфейса (рис.35)
Рассмотрев построение развертки колодки, нами конкретно не указывался набор материалов входящих в пакет заготовки верха обуви. Сделано это было умышленно для построения максимально обобщенного принципа формирования распластанной фигуры. Однако для демонстрации гибкости и универсальности предложенного метода рассмотрим конкретный пример формирования развертки из ткани. Для изготовления обуви используют хлопчатобумажные и смешанные ткани [155], в нашем примере возьмем «двунитку». Нам известны основные физико-механические характеристики данной ткани: разрывная нагрузка, жесткость при изгибе, толщина и масса [156].
Так как основные физико-механические свойства известны, то спроецируем их на боковую поверхность колодки и получим развертку. Для сравнения полученных результатов совместим контур УРК из ткани (отмечен красным цветом) и из кожи (отмечен желтым цветом), результат представлен на рисунке 36. Рисунок 36. Контуры УРК, полученные с одной колодки, но с использованием различных материалов; красным отмечен контур развертки текстильного материал, а желтым – контур развертки натуральной кожи.
Установив геометрическое соответствие поверхностей колодки до и после распластывания, а так же возможность использовать физико механические свойства материалов для устранения выточек и наложений, следует заметить, что в производимых расчетах не учитывалась толщина материалов. Для устранения данного пробела следует выполнить ряд корректировок поверхности колодки. Во-первых, отмасштабировать координаты узловых точек пяточной (Тп.ч.), геленочно-пучковой (Тг.ч.) и носочной части (Тн.ч.) колодки с использованием коэффициентов, определяемых с учетом суммарной толщины внутренних деталей заготовки верха. Толщины определяются по формулам [17, 35]:
Массив координат образующих поверхность колодки перемножается на соответствующие коэффициенты, за счет этого учитывается толщина промежуточных и внутренних материалов.
Однако данная корректировка не учитывает толщину основной стельки. Следовательно, необходимо переместить контур следа на величину, равную толщине стельки на 5 мм [157].
В рамках данной диссертационной работы мы ограничимся получением развертки колодки без учета толщин деталей, ввиду ряда причин. Основным препятствием является высокая трудоемкость по подбору коэффициентов для различных материалов и встраивание соответствующих коэффициентов в программные алгоритмы. Отсутствие корректировок на толщину основной стельки следа объясняется высоким процентом проектирования обуви с втачной стелькой, которая подразумевает использование отличных от обуви с основной стелькой припусков.
Основные погрешности метода распластывания боковой поверхности колодки в 3D
Рассмотрев методику построения развертки, основываясь на геометрическом подходе, следует отметить, что на точность построения так же влияет калибровка и технические показатели используемых приборов. Для построения развертки был задействован лазерный сканер, программа конвертации и программа трехмерного проектирования.
Всю совокупность ошибок в величинах, измеряемых посредством лазерного сканера, можно разделить на две группы: инструментальные, обусловленные качеством сборки и методические, источником которых является сам метод определения величин [158].
Сравнительный анализ проектирования обуви в САПРО-3D с традиционными алгоритмами 2D систем
При помощи вышеописанного алгоритма осуществляется построение мокасин. Построение так же возможно на базе УРК. Однако данный метод демонстрирует возможность проектирования сложных изделий и моделирование развертки пространственных деталей. Данный подход возможно спроецировать и на обувь с втачной стелькой.
Таким образом, используя стандартные инструменты «Maya» и «КО-3D», возможно, спроектировать модель обуви, полностью в компьютерной среде. К плюсам данной системы можно отнести единое информационное поле разработки эскиза, формы колодки, конструктивной основы верха и деталей низа; автоматизацию построения технологических припусков, базисных и вспомогательных линий, а так же возможность расчёта чистой площади полученных деталей и их периметров. Для удобства работы с внутренними, наружными, промежуточными деталями обуви можно изменять цвет линий, делая работу с чертежом более оперативной. Масштабировать отдельные элементы чертежа, сдвигать группы линий и детали целиком, замерять углы и расстояние между точками, все эти функции ускоряют процесс проектировании обуви.
Серийное градирование колодок и деталей обуви Результатом проектирования моделей обуви – являются шаблоны деталей, включающие гофры, наколоы и технологические припуски. При типовом проектировании опытный образец модели изготавливается экспериментальным цехом в одном, среднем, размере. Для мужской обуви это 270 размер, а для женской 235 (по ГОСТ3927-88 в метрической системе измерения). Завершив проектирование шаблонов в среднем размере, приступают к изготовлению серии деталей на каждый размер обуви. Процесс построения деталей для каждого отдельного размера, на базе основного чертежа, получил название – серийное градирование. На сегодняшний день существует ряд методик получения градированных деталей. Вопросам серийного градирования посвящены работы Фукина В.А, Костылевой В. В., Довнича И. И., Киселева С.Ю.[184, 185, 186, 187, 14].Следует отметить, что существуют ручной и механический способы градирования, а так же способы получения серии шаблонов с помощью ЭВМ. Среди ручных, можно выделить расчетно-графические методы: — метод Ереванского Дома моделей обуви (ЕДМО) и метод Хохлова Б. П. и Еремина А. А. [103]. Механические способы подразумевают получение серии при помощи специальных градир-машин, например АСГ-3 , «Альбеко-24» [186]. Однако механический и расчетно-графический метод морально устарели в связи с появлением ЭВМ. В основу методик градирования применяемых на ЭВМ положены математические модели аффинных преобразований. С учетом особенностей обувного градирования формулы расчета длиннотных и широтных размеров имеют вид:
Диск= Дисх (1+n ) ; Шиск= Шисх (1+n ), где Диск – длина шаблона искомого размера после процесса градирования; Дисх - длина шаблона исходного размер; n – Ступень градирования; Относительное приращение параметров шаблонов по длине Шиск - ширина искомого шаблона после процесса градирования; Шисх - ширина шаблона исходного размера; - – Относительное приращение параметров шаблонов по ширине
Кш - коэффициент пропорциональности по ширине (на данный коэффициент умножаются координаты детали по оси Y). Для создания функционирующего алгоритма требуется выбрать ось градирования. В трехмерной графике каждый объект имеет внутренние координаты (характеризующиеся как центр массы объекта) и внешние координаты (глобальные). При градировании используем глобальные координаты для упрощения процесса постановки деталей в нужные оси. Оптимальная ось градирования должна соответствовать оси градирования колодки, при этом возникает ряд технических сложностей [187]. Поэтому применяют упрощенный подход, реализованный, как масштабирование всего чертежа по оси, соединяющей самую удаленную часть носка и пятки. Аналогичный подход используется в системах двухмерного проектирования обуви «АСКО 2Д» и «АССОЛЬ» [188, 50]. При помощи программных алгоритмов создадим соответствующие команды: «Grad+» и «Grad-». При выборе правой кнопкой мыши детали активируем команду «Grad+» или «Grad-» и получаем дубликат шаблона, скорректированный на величину коэффициента градирования. Градирование осуществляется без технических припусков, путем перемножения всех координат образующих шаблон на величину коэффициента в соответствующих осях координат. В данной работе мы не будем подробно касаться данной проблематики и ограничимся выбором оси градирования проходящей через самую удаленную часть носка и пятки. Результат градирования представлен на рисунке 87.
Реализовав, таким образом, механизм градирования, мы умышленно не углубляемся в проблемы соответствия механизмов градирования колодок и деталей верха, поиска нейтральной оси и приращения технологических припусков. Данные алгоритмы успешно отработаны легкой промышленностью в двухмерных системах и могут быть спроецированы в подпрограмму «КО-3D». Таким образом, задача построения различных конструкций обуви при помощи трехмерного моделирования на базе виртуальной колодки реализована. Отшитый опытный образец – соответствует современным техническим и эстетическим требованиям.
Детали обуви, отградированные при помощи подпрограммы КО-3D». Эскизная проработка в трехмерных системах позволяет получить фотореалистичный образец будущей модели. Перечисленные факторы говорят в пользу внедрения систем трехмерного проектирования в процесс моделирования обуви, однако существует ряд экономических показателей, не рассмотренных в данной главе. Именно экономической обоснованности внедрения систем трехмерного проектирования обуви и будет посвящена 4 глава данной диссертации.
